陳文林

（福建省197地質(zhì)大隊(duì)，福建泉州 362000）

福建省仙亭煤礦巖溶含水層突水機(jī)理分析

陳文林

（福建省197地質(zhì)大隊(duì)，福建泉州 362000）

1990年8月至1991年4月，仙亭煤礦在掘進(jìn)+500 m后洋運(yùn)輸大巷時(shí)發(fā)生突水事件，最大突水量達(dá)423.7 m3/ h，以后穩(wěn)定在230 m3/h。礦井于1991年10月構(gòu)筑永久性擋水墻進(jìn)行堵水，把灰?guī)r水突水危險(xiǎn)區(qū)列為禁采區(qū)，關(guān)閉煤炭資源量（332+333）1384.1萬t。為探究突水的水害問題，根據(jù)煤礦開采歷史狀況，綜合采用硐探、探水鉆探、放水試驗(yàn)、重新封孔、帷幕注漿等手段，對突水通道、充水水源進(jìn)行探測。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滑脫斷層F突為突水通道，它切割煤系后連通F灰斷層，與下部的巖溶水發(fā)生水力聯(lián)系，突水水源為棲霞灰?guī)r巖溶水。研究成果為盤活煤炭資源，進(jìn)行礦井水害預(yù)防和治理提供了依據(jù)。

巖溶突水；探測；通道；水源；機(jī)理；仙亭煤礦

礦井突水是制約煤礦生產(chǎn)的主要因素之一，隨著煤礦生產(chǎn)水平的延深，煤礦開采面臨的水文地質(zhì)問題越來越多，諸如帶壓開采、揭露巖溶含水層、斷層突水導(dǎo)水等[1-4]。因此研究斷層突水與煤層底板巖溶含水層水文地質(zhì)條件和突水條件，采取有效的方法進(jìn)行煤層底板突水的防治措施[5-7]，為受巖溶水威脅煤層的開采提供可靠的水文地質(zhì)依據(jù)，具有極重要的意義[8-12]。

福建省仙亭煤礦位于福建大田縣上京鎮(zhèn)，礦井采用斜井開拓，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬t/a。礦井設(shè)計(jì)三個(gè)生產(chǎn)水平：+500 m水平、+300 m水平和+100 m水平。1990年8月-1991年4月，仙亭煤礦在掘進(jìn)+ 500 m后洋運(yùn)輸大巷時(shí)發(fā)生突水事件，最大突水量達(dá)423.7 m3/h，以后穩(wěn)定在230 m3/h。礦井于1991年10月構(gòu)筑永久性擋水墻進(jìn)行堵水。為了生產(chǎn)安全，把灰?guī)r水突水危險(xiǎn)區(qū)列為禁采區(qū)。在“灰?guī)r水突水危險(xiǎn)區(qū)”內(nèi)關(guān)閉了煤炭資源量（332+333）1384.1萬t。為了解放“灰?guī)r水突水危險(xiǎn)區(qū)”的煤炭資源，2015年，開展了仙亭煤礦棲霞組巖溶水專項(xiàng)調(diào)查工作。根據(jù)礦井開采歷史狀況，綜合采用硐探、探水鉆探、放水試驗(yàn)、重新封孔、帷幕注漿等手段，對突水通道、充水水源進(jìn)行探測。在綜合探測的基礎(chǔ)上，重新厘定了礦井構(gòu)造格局，尤其是導(dǎo)水通道F突的空間展布情況，分析了巖溶突水的形成機(jī)理，最后通過定量分析，給出F突、F灰斷層邊界防隔水煤（巖）留設(shè)和探水線設(shè)置方案，為礦井水害的預(yù)防和治理提供了借鑒。

1 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 礦井地質(zhì)

礦井內(nèi)所見地層自老而新有：石炭系下統(tǒng)林地組、上統(tǒng)船山組；二疊系下統(tǒng)棲霞組、文筆山組、童子巖組，上統(tǒng)翠屏山組、長興組；三疊系下統(tǒng)溪口組；第四系殘坡積層。礦井內(nèi)的含煤地層是二疊系下統(tǒng)童子巖組，為海陸交互相含煤沉積，在井田內(nèi)廣泛出露。

礦井以褶皺為主，斷層較發(fā)育，主要斷層有12條。按其成因及斷裂性質(zhì)可劃分為兩類：一類是滑脫斷層，表現(xiàn)為地層缺失，為F0、F1-F2、F3、F灰、F突等；另一類是推覆斷層，表現(xiàn)為地層重復(fù)，為F11。主要幾條斷層空間位置情況為：F0發(fā)育于石炭系下統(tǒng)林地組、石炭系上統(tǒng)船山組與二疊系下統(tǒng)棲霞組；F灰發(fā)育于二疊系下統(tǒng)棲霞組與文筆山組；F3發(fā)育于二疊系下統(tǒng)文筆山組與童子巖組煤系；F突、F11發(fā)育于二疊系下統(tǒng)童子巖組煤系；F1-F2發(fā)育于二疊系下統(tǒng)童子巖組與三疊系下統(tǒng)溪口組；F10、F6、F4構(gòu)成井田的邊界（圖1、圖2）。

圖1 仙亭煤礦水文地質(zhì)略圖Figure 1 Xianting coalmine hydrogeological sketch map

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

礦井屬構(gòu)造侵蝕類型中低山區(qū)，海拔高程在+ 1062.50～+630.00 m，相對高差400.00 m。區(qū)內(nèi)地形呈現(xiàn)北部、西北部高，東南、西南部緩，溝谷發(fā)育，有正川溪、仙亭溪、柯坑溪，溝切割較深，斷面多呈“V”字形，降水排泄較通暢。

1.2.2 主要含、隔水巖組

礦井含水層從上至下依次為：第四系孔隙裂隙水、三疊系下統(tǒng)溪口組裂隙水、二疊系上統(tǒng)長興組裂隙水、二疊系上統(tǒng)翠屏山組裂隙水、二疊系下統(tǒng)童子巖組第三段和第一段裂隙水、二疊系下統(tǒng)棲霞組和石炭系林地組裂隙含水巖組。

礦井隔水巖組依次為：二疊系上統(tǒng)大隆組、二疊系下統(tǒng)童子巖組第二段、二疊系下統(tǒng)文筆山組。對礦井主要煤層開采有充水影響的主要含水層是二疊系下統(tǒng)童子巖組第三段、第一段裂隙含水巖組和二疊系下統(tǒng)棲霞組巖溶裂隙含水巖組，主要隔水巖組是童子巖組第二段和文筆山組?，F(xiàn)分述如下：

①二疊系下統(tǒng)童子巖組第三段、第一段裂隙含水巖組。由細(xì)砂巖、粗粉砂巖、細(xì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤層組成。三段厚度178 m，主要分布在礦井中部；一段厚度239 m，主要分布在礦井西部及中部。地下水主要賦存于細(xì)砂巖和裂隙發(fā)育處，含水性受構(gòu)造裂隙控制和埋深制約。巷道調(diào)查結(jié)果，大多巷道干燥、無水，少數(shù)巷道揭露該巖組見頂板滴水。其中25號煤層頂板、26號煤層底板細(xì)砂巖局部節(jié)理裂隙發(fā)育，呈透鏡狀分布，且不均勻，巷道偶見淋水現(xiàn)象，但經(jīng)過一段時(shí)間后，淋水消失?？偟膩碚f該巖組富水性較弱，為層間弱裂隙含水巖組。

圖2 108線水文地質(zhì)剖面示意Figure 2 Line 108 hydrogeological schematic section

②二疊系下統(tǒng)棲霞組巖溶裂隙含水巖組。巖性為灰?guī)r夾泥灰?guī)r。地表出露于礦區(qū)北部，大部分布在煤系——文筆山組之下，具有北高南低的趨勢，向南傾伏，富水性隨著埋藏深度變?nèi)?。根?jù)勘探資料，共有44個(gè)鉆孔揭露到棲霞組灰?guī)r，其中有8個(gè)鉆孔揭露灰?guī)r后出現(xiàn)漏水情況，巖溶較發(fā)育，但不均勻。在區(qū)內(nèi)有108線ZK10水源井和仕坑村水井，出水位置均為棲霞巖溶裂隙層段，水頭高度分別為+656.1 m、+655.7 m，最大涌水量均大于200 m3/h。棲霞組灰?guī)r的巖溶裂隙發(fā)育與脫底斷層F灰密切相關(guān)，沿著F灰斷裂帶巖溶發(fā)育，淺強(qiáng)深弱，富水性極不均勻。

③二疊系下統(tǒng)童子巖組第二段隔水巖組。厚度50.0～80.0 m，位于25號煤層頂板之上細(xì)砂巖或粉砂巖至19號煤層底板細(xì)砂巖。巖性以泥巖為主，上部夾3～5層砂巖和粉砂巖，總的巖性上粗下細(xì)，裂隙不發(fā)育，導(dǎo)水性極弱，在大多數(shù)情況下隔斷地下水的水力聯(lián)系，可視為相對隔水巖組。

④二疊系下統(tǒng)文筆山組隔水巖組。該組上部與童子巖組一段斷層（F3）接觸，下部與下覆棲霞組斷層（F灰）接觸。由于斷層的應(yīng)力作用，局部地層缺失造成童子巖組一段與灰?guī)r直接對口。該巖組厚度為0～90.0 m，巖性以厚層狀粉砂巖、泥巖為主，裂隙不發(fā)育，富水性差，為相對穩(wěn)定的隔水巖組。

1.2.3 斷層導(dǎo)水性

礦井內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造裂隙構(gòu)成不均勻的充水、導(dǎo)水帶。礦井“突水危險(xiǎn)區(qū)”附近斷層主要有F3、F灰、F7、F突、F11、F2、F6斷層，導(dǎo)水性見表1。F灰、F突為開展巖溶水專項(xiàng)調(diào)查工作后新增加的兩條斷層，與礦井突水緊密關(guān)聯(lián)。

表1 主要斷層導(dǎo)水性Table 1 Water transmissibility of main faults

2 突水機(jī)理分析

2.1 +500m后洋運(yùn)輸大巷突水情況

1990年8月4日仙亭煤礦在掘進(jìn)后洋+500 m運(yùn)輸大巷過程中，當(dāng)掘進(jìn)至108線ZK3鉆孔附近時(shí)，巷道周邊裂隙滲出四股水，涌水量約20 m3/h。巷道繼續(xù)掘進(jìn)，至8月10日涌水量增至60 m3/h，8月16日停止掘進(jìn)。10月3日再次掘進(jìn)時(shí)，水量增至150 m3/h，后穩(wěn)定在100 m3/h。1990年12月3日至1991年3月14日共掘進(jìn)7.8 m，涌水量變化不明顯。1991年4月3日掘進(jìn)迎頭見一斷裂破碎帶，涌水量猛增至385 m3/h，4月25日達(dá)400 m3/h，6月20日涌水量高達(dá)423.7 m3/h，之后涌水量基本穩(wěn)定在230 m3/h。突水后礦井采用擋水墻堵水，關(guān)閘試壓，2 d后水壓達(dá)到1.37 MPa，之后水壓逐漸增大，穩(wěn)定在1.57 MPa，換算成水頭高度約為+657.0 m。礦井于1991年10月構(gòu)筑永久性擋水墻進(jìn)行堵水。

圖3 F突空間展布及巖溶水補(bǔ)給徑流排泄示意Figure 3 Schematic diagram of water bursting channel fault spatial extension and karst water recharge,runoff and drainage

2.2 +500m后洋運(yùn)輸大巷突水機(jī)理探測

2015年，在重新厘定礦井構(gòu)造形態(tài)、巖溶的發(fā)育情況后，提出突水原因的三種假設(shè)：導(dǎo)水?dāng)鄬覨突相交到棲霞組灰?guī)r巖溶發(fā)育帶F灰；揭露棲霞組灰?guī)r而未封孔或封孔質(zhì)量不良的鉆孔，導(dǎo)通巖溶水；井田東部邊界F6斷層溝通巖溶水通過25～26號煤層間的砂巖裂隙含水層補(bǔ)給導(dǎo)致+500m后洋運(yùn)輸大巷。

2.2.1 F突的探測

采用邊探邊掘的方式在五采區(qū)+500 m南石門施工探水石門和探水鉆孔，探測導(dǎo)水?dāng)鄬庸こ谭植既鐖D4所示，探水工程情況見表2。在本次探測中，7#鉆孔在鉆進(jìn)56 m揭露一條導(dǎo)水?dāng)鄬?，記為F突斷層。該斷層的斷層帶寬度約0.96 m，上下盤落差約6 m，終孔涌水量達(dá)26.5 m3/h。7#鉆孔突水后，5#鉆孔的突水量降到2.8 m3/h左右。探測初步表明，F(xiàn)突斷裂是突水的主要通道。

圖4 探放水工程平面布置示意Figure 4 Exploring and dewatering engineering layout plane

2.2.2 108線ZK3鉆孔探測

經(jīng)調(diào)查，礦區(qū)范圍內(nèi)揭露棲霞組灰?guī)r而未封孔的只有108線ZK3鉆孔，作為長期觀測孔，其它鉆孔封孔質(zhì)量合格，因此對108線ZK3鉆孔進(jìn)行井下掃孔、封孔，之后在+500 m后洋運(yùn)輸大巷擋水墻位置打開閘閥做放水試驗(yàn)。封孔前，放水量控制在180 m3/h左右，靜水壓力穩(wěn)定在1.42～1.48 MPa。在做放水試驗(yàn)時(shí)，觀測108線ZK10水源井、ZK3鉆孔和仕坑村水井的水位變化情況。據(jù)放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)[13]分析，7#鉆孔、6#鉆孔、5#鉆孔、后洋+500 m運(yùn)輸大巷幾者之間存在明顯的水力聯(lián)系，但6#鉆孔、5#鉆孔穩(wěn)定流量有限，+500 m后洋運(yùn)輸大巷靜水壓力變化不明顯。

表2 探水孔探測情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of water exploring borehole detected results

放水試驗(yàn)及水質(zhì)分析結(jié)果表明：

（1）突水水源為棲霞組巖溶水。當(dāng)+500 m后洋運(yùn)輸大巷放水后，108線ZK10水源井、108線ZK3鉆孔和仕坑村水井水位分別下降為10.6、10.9和10.5 m，這與+500 m后洋運(yùn)輸大巷靜水壓力穩(wěn)定在1.42～1.48 MPa基本吻合。停止放水后，其水位逐漸上升，穩(wěn)定水位分別為：ZK10水源孔+656.1 m，ZK3鉆孔+656.8 m，仕坑村水井+655.7 m，三者穩(wěn)定水位基本與一致，而且與突水點(diǎn)水頭高度測算值+ 657.0 m也一致。經(jīng)取樣化驗(yàn)（表3），突水點(diǎn)、ZK10水源孔、ZK3鉆孔和仕坑村水井，pH值相同，水化學(xué)類型同屬HCO3—Ca2+型，為灰?guī)r水的典型特征。證明了四者之間存在水力聯(lián)系，水源均來自礦區(qū)深部同一水源—棲霞組灰?guī)r巖溶裂隙水。

表3 水樣檢測情況Table 3 Water sample tested results

（2）鉆孔不是突水通道。108線ZK3封孔后，再進(jìn)行放水試驗(yàn)，+500 m后洋運(yùn)輸大巷仍然突水，穩(wěn)定突水量沒有減少，涌水量基本穩(wěn)定在230 m3/h。關(guān)閘試壓，穩(wěn)定在1.42～1.48 MPa，證明108線ZK3鉆孔不是突水通道。

2.2.3 25～26號煤層間細(xì)砂巖裂隙含水層的探測

據(jù)資料分析，+500 m后洋運(yùn)輸大巷、108線ZK3鉆孔揭露，25號煤層頂板～26號煤層底板細(xì)砂巖在F突斷層附近裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性達(dá)到中等。根據(jù)礦井鉆孔統(tǒng)計(jì)及相鄰柯坑煤礦揭露25號煤層底板～26號煤層底板細(xì)砂巖完整性較好，裂隙不發(fā)育，不導(dǎo)水，說明25號煤層頂板～26號煤層底板細(xì)砂巖僅僅局部節(jié)理、裂隙發(fā)育。根據(jù)資料重新分析，F(xiàn)6是局部充水、導(dǎo)水?dāng)嗔眩矝]有連通巖溶水，這兩點(diǎn)證明了“F6斷層溝通巖溶水通過25～26號煤層間的砂巖裂隙補(bǔ)給導(dǎo)致+500 m后洋運(yùn)輸大巷突水”的結(jié)論不成立。

2.3 帷幕注漿驗(yàn)證

在做了充分的水文地質(zhì)工作后，對+500 m探水石門前方F突進(jìn)行超前預(yù)注漿治理[14]。注漿后仙亭煤礦成功掘進(jìn)了206采區(qū)+500 m運(yùn)輸大巷，注漿段巷道僅局部出現(xiàn)滴水，治理效果良好，+500 m大巷安全通過F突導(dǎo)水?dāng)鄬印?/p>

3 結(jié)論

通過對福建省仙亭煤礦巖溶突水探測表明，+ 500 m后洋運(yùn)輸大巷突水水源為棲霞灰?guī)r巖溶水，突水通道為F突，即導(dǎo)水?dāng)鄬覨突切割煤系，使得煤系與棲霞組灰?guī)r之間產(chǎn)生水力聯(lián)系，將棲霞組巖溶裂隙承壓水導(dǎo)入+500 m后洋運(yùn)輸大巷。建議在開拓過程中遇到F突斷層時(shí)，可實(shí)施帷幕注漿密閉F突斷層通道；探水時(shí)，應(yīng)從南往北對F灰斷層進(jìn)行探水。

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Karst Aquifer Water Bursting Mechanism Analyses in Xianting Coalmine,Fujian Province

Chen Wenlin
(Fujian Provincial No.197 Geological Exploration Team,Quanzhou,Fujian 362000)

The water bursting happened in the Xianting coalmine during the heading of+500m Houyang main haulage roadway from August 1990 to April 1991 had maximum water inflow 423.7 m3/h,and stabilized at 230 m3/h.A permanent bulkhead had been built to block up water during October 1991;the limestone water bursting hazardous area has designated as the mining forbidden region,thus sealed off 13.84 million tons of coal resources(332+333).To probe into the water bursting hazard issue,on the basis of coalmine historic conditions,integratedly used measures of exploratory adit,water detecting drilling,dewatering test,borehole resealing and curtain grouting to carry out water bursting channel,water filling source detections.The results have found that the detachment fault F is the water bursting channel,after intersected the coal measures then connected underlying limestone,thus hydraulically connected karst water;water bursting source is from the Qixia limestone karst water.The study has provided reference for coal resources revitalization and mine water hazard prevention and control.

karstic water bursting;detection;channel;water source;mechanism;Xianting coalmine

P641.034；TD745

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.09

1674-1803(2017)01-0042-06

國土資源部首批野外科學(xué)觀測基地建設(shè)資助項(xiàng)目。

陳文林（1965—），男，福建莆田人，高級工程師，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。

2016-07-07

責(zé)任編輯：樊小舟